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全新基因編輯技術引發研究領域巨變——生物學新利器是把雙刃劍

來源：集團芭乐视(shi)频ios下(xia)载安(an)装 發布時間：2016-06-11 編輯：黑馬

美(mei)國舊金山格(ge)萊(lai)斯頓研究所(suo)遺(yi)傳學家Bruce Conklin一(yi)直試圖(tu)找到(dao)DNA變異如何影響不(bu)同的人類疾病，但使用的工具有(you)些笨重(zhong)。

 

美國(guo)舊金山格萊斯頓研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所遺傳學家Bruce Conklin一直試(shi)圖找到DNA變異如何(he)影響(xiang)不(bu)同(tong)的(de)(de)人類疾(ji)病(bing)，但使用的(de)(de)工(gong)具(ju)有些笨重(zhong)。當他研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)來自病(bing)人的(de)(de)細胞(bao)(bao)時(shi)，很難知道哪(na)個序列(lie)對疾(ji)病(bing)來說(shuo)很重(zhong)要，哪(na)些只(zhi)是(shi)背(bei)景噪音。同(tong)時(shi)，將(jiang)突變植入(ru)細胞(bao)(bao)是(shi)一項昂貴且費(fei)力(li)的(de)(de)工(gong)作。

2012年，他通過(guo)閱讀(du)了解到一項最新發表(biao)的(de)(de)、被稱為CRISPR的(de)(de)技(ji)術(shu)。它能使研究人(ren)員快速改變幾乎(hu)任何生(sheng)物體的(de)(de)DNA，包括人(ren)類(lei)。此(ci)后不久，Conklin放棄了此(ci)前(qian)為疾病(bing)建立(li)模型的(de)(de)方(fang)法，轉而采用這(zhe)項新技(ji)術(shu)。目前(qian)，他的(de)(de)實驗室正(zheng)在狂熱地(di)改變同(tong)各種心臟疾病(bing)相關的(de)(de)基因(yin)。“CRISPR正(zheng)帶來翻天(tian)覆地(di)的(de)(de)變化。”Conklin說。

這種情感被廣泛共享：CRISPR正在(zai)生物醫學(xue)(xue)研究領域引(yin)起(qi)一場(chang)巨(ju)變(bian)。不像其他基(ji)因(yin)(yin)編輯手(shou)段(duan)，它使(shi)用(yong)起(qi)來(lai)廉價(jia)、迅速且簡單，并因(yin)(yin)此席卷全球實驗室。研究人(ren)員希望利用(yong)它調整人(ren)類基(ji)因(yin)(yin)以消除疾(ji)病(bing)，創造生命力更加頑強的(de)(de)植物，并且消滅病(bing)原體。“自從事科研以來(lai)，我(wo)經歷過(guo)兩次(ci)大的(de)(de)發(fa)展(zhan)。”康奈爾大學(xue)(xue)遺傳學(xue)(xue)家John Schimenti表示，像在(zai)1985年被發(fa)明后使(shi)基(ji)因(yin)(yin)工程(cheng)領域發(fa)生革命性變(bian)化的(de)(de)基(ji)因(yin)(yin)擴增方法——PCR一樣，“CRISPR正通過(guo)如此多的(de)(de)方式影(ying)響生命科學(xue)(xue)”。

不過(guo)，盡(jin)管(guan)CRISPR前途大(da)好，但一些科學家(jia)擔心(xin)，這個(ge)領域極快的(de)(de)(de)(de)發(fa)展步伐(fa)幾乎沒有為解決類似試驗可能引發(fa)的(de)(de)(de)(de)倫(lun)理和(he)安(an)全問題(ti)留(liu)出(chu)時(shi)間。當今(jin)年4月(yue)關于(yu)科學家(jia)利用CRISPR改造人(ren)類胚(pei)胎的(de)(de)(de)(de)新聞曝(pu)出(chu)時(shi)，該(gai)問題(ti)被推到了聚(ju)光燈下。雖然他們使用的(de)(de)(de)(de)胚(pei)胎無(wu)法(fa)使嬰兒(er)安(an)全出(chu)生(sheng)，但這項報道引發(fa)了關于(yu)是(shi)否以及如(ru)(ru)何使用CRISPR使人(ren)類基因(yin)組產生(sheng)可遺傳的(de)(de)(de)(de)變(bian)化的(de)(de)(de)(de)激(ji)烈爭辯。同時(shi)，還有其(qi)他的(de)(de)(de)(de)顧慮存在。比如(ru)(ru)，一些科學家(jia)擔心(xin)，接(jie)受過(guo)基因(yin)編輯的(de)(de)(de)(de)生(sheng)物體會擾亂(luan)整個(ge)生(sheng)態系統(tong)。

引(yin)發研究革(ge)命(ming)

長久以來，生物學家一(yi)直在(zai)利(li)用(yong)(yong)分(fen)子工具編輯(ji)基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)組(zu)。大(da)(da)約10年前，他(ta)們(men)因(yin)(yin)(yin)(yin)一(yi)種有望精確且(qie)高(gao)效(xiao)地編輯(ji)基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)、被稱(cheng)為鋅指核酸酶的(de)(de)(de)酶而(er)興奮不(bu)已。不(bu)過，馬薩(sa)諸塞(sai)州布蘭迪斯大(da)(da)學分(fen)子生物學家James Haber表示，需要(yao)花費5000多(duo)美(mei)(mei)元(yuan)才能訂(ding)購到的(de)(de)(de)鋅指并(bing)未被普遍(bian)采(cai)用(yong)(yong)，因(yin)(yin)(yin)(yin)為它們(men)很難進行基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)改造且(qie)花費頗(po)高(gao)。CRISPR卻(que)大(da)(da)不(bu)相同：它依靠一(yi)種利(li)用(yong)(yong)引導(dao)性RNA分(fen)子將其(qi)導(dao)向目標DNA、被稱(cheng)為Cas9的(de)(de)(de)酶，然后(hou)編輯(ji)DNA以擾亂(luan)基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)或插入想要(yao)的(de)(de)(de)序(xu)列。通常，研究人(ren)員需要(yao)訂(ding)購的(de)(de)(de)只(zhi)是(shi)RNA片段，其(qi)他(ta)成(cheng)分(fen)都是(shi)現成(cheng)的(de)(de)(de)。全部花費只(zhi)有30美(mei)(mei)元(yuan)。“這使得該技術走(zou)向大(da)(da)眾化，因(yin)(yin)(yin)(yin)此每個人(ren)都在(zai)使用(yong)(yong)它。”Haber說，這的(de)(de)(de)確是(shi)一(yi)場巨(ju)大(da)(da)的(de)(de)(de)革命。

CRISPR方(fang)法正快(kuai)速超越鋅指(zhi)核(he)酸酶和其他編(bian)輯工(gong)具。對一些(xie)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)來說，這(zhe)意味著要放棄曾花費數年(nian)來完善的(de)技(ji)術(shu)。“我很郁悶。”英國韋爾(er)科姆基(ji)金會桑格學院研(yan)究(jiu)所遺傳學家(jia)Bill Skarnes說，“但(dan)又很興奮。”Skarnes在自己(ji)職業生涯(ya)的(de)大部(bu)分時間都在使(shi)用上世紀80年(nian)代(dai)引入(ru)的(de)一項技(ji)術(shu)：將DNA插入(ru)胚胎(tai)干(gan)細胞，然(ran)后利用這(zhe)些(xie)細胞產生轉基(ji)因小鼠。這(zhe)項技(ji)術(shu)變成實驗(yan)室的(de)主力(li)，但(dan)同時耗費時間且非常(chang)昂貴。CRISPR所需(xu)時間很少，因此Skarnes在兩年(nian)前采用了這(zhe)項技(ji)術(shu)。

研究(jiu)人員(yuan)傳統(tong)上嚴重依賴(lai)諸如(ru)小(xiao)鼠、果蠅等模(mo)式生物。目前，CRISPR使在更多生物體中(zhong)編輯基因成為可能。例如(ru)，今年4月，馬薩諸塞州懷特(te)海德生物醫學(xue)研究(jiu)所研究(jiu)人員(yuan)的(de)報告稱，利用CRISPR研究(jiu)了白色念珠菌。這(zhe)是一種在免疫系統(tong)減弱(ruo)的(de)人群中(zhong)尤其具有(you)(you)致死性但一直很(hen)難(nan)在實驗(yan)室(shi)中(zhong)進行基因操控(kong)的(de)真(zhen)菌。來自(zi)加州大學(xue)伯克利分校的(de)CRISPR技術先驅Jennifer Doudna正在記錄被(bei)CRISPR改變的(de)生物清單。截至目前，她(ta)已擁(yong)有(you)(you)近40個條目，包(bao)括致病寄(ji)生蟲——錐體蟲和被(bei)用來制造生物燃(ran)料的(de)酵母菌。

然而，快速(su)的進步(bu)有(you)(you)著(zhu)自身的弊端。“人(ren)們根本(ben)沒有(you)(you)時間描述這個系統中一(yi)些最基本(ben)參數的特征(zheng)。”加州大學舊(jiu)金山分校生物物理(li)學家Bo Huang說，“現(xian)在有(you)(you)這樣一(yi)種心態，即只要它能發揮作(zuo)(zuo)用(yong)，我們就不(bu)需要理(li)解它是如何以及為何發揮作(zuo)(zuo)用(yong)的。”這意(yi)味著(zhu)研(yan)究人(ren)員偶爾會遇到(dao)故障。Huang和他的實驗室奮斗(dou)了(le)兩個月，使CRISPR適用(yong)于成像研(yan)究。他懷疑，如果(guo)對如何使引導(dao)性RNA的設計(ji)最優化了(le)解得更(geng)多(duo)，耽擱的時間會更(geng)少。

獲(huo)得廣泛應用

去年，麻(ma)省理工學院生物(wu)工程學家Daniel Anderson和他的同事在小鼠身(shen)上利用(yong)CRISPR修正(zheng)(zheng)了一個同人類代(dai)謝(xie)性疾(ji)病相關的突(tu)變tyrosinaemia。這(zhe)是首次利用(yong)CRISPR在成年動物(wu)體內修正(zheng)(zheng)致病突(tu)變，并且是將該項技(ji)術用(yong)于人類基因療法的一個重大進步。

在(zai)科學和生物技(ji)術圈(quan)，CRISPR能加快基因治療領域發展的想法是一個主要的興奮點。不(bu)過(guo)，在(zai)凸顯潛力的同時，Anderson的研究還(huan)展現(xian)了真正應用這項(xiang)技(ji)術還(huan)有多(duo)遠的路(lu)要走。為將(jiang)Cas9酶和其(qi)引(yin)導性RNA送入目(mu)標器官——肝臟(zang)，該研究團隊(dui)不(bu)得不(bu)用泵將(jiang)通常被認為在(zai)人(ren)體內不(bu)宜存在(zai)的大量流體送入血管。試驗僅(jin)在(zai)0.4%的細胞中(zhong)修正了致病(bing)突變，而這并不(bu)足以對(dui)很多(duo)疾病(bing)產生影(ying)響(xiang)。

過去兩年里，一(yi)些公司如(ru)雨(yu)后春(chun)筍般出(chu)現，開發基(ji)于(yu)CRISPR的(de)基(ji)因(yin)療(liao)法(fa)。Anderson和其(qi)他人表(biao)示，此(ci)類療(liao)法(fa)的(de)首次臨床(chuang)試(shi)驗(yan)會(hui)在(zai)接下來(lai)的(de)一(yi)到(dao)兩年內進行(xing)。這(zhe)些首批試(shi)驗(yan)或許將勾勒出(chu)CRISPR的(de)應(ying)用場景，即CRISPR成分能(neng)(neng)被(bei)(bei)直接注入(ru)眼睛等(deng)器(qi)官，或者細(xi)胞(bao)能(neng)(neng)從人體移除并在(zai)實驗(yan)室中進行(xing)基(ji)因(yin)改造后被(bei)(bei)放回體內。例如(ru)，形成血(xue)液的(de)干細(xi)胞(bao)可(ke)能(neng)(neng)被(bei)(bei)修正(zheng)用于(yu)治(zhi)療(liao)諸如(ru)鐮狀細(xi)胞(bao)性(xing)貧血(xue)癥(zheng)或β-地中海貧血(xue)等(deng)疾病。雖然將酶和引導性(xing)RNA送入(ru)很多其(qi)他組(zu)織(zhi)將是一(yi)項更(geng)大的(de)挑戰，但(dan)研究人員希望有一(yi)天這(zhe)項技術能(neng)(neng)被(bei)(bei)用于(yu)解決(jue)更(geng)廣(guang)范的(de)遺傳疾病。

在(zai)Anderson和其他人正在(zai)瞄準修正人類細胞內的(de)DNA時，一些人將目光投向了農(nong)作物和牲畜。在(zai)基(ji)(ji)因(yin)(yin)編輯技術(shu)出現(xian)前，這往往是(shi)通過將基(ji)(ji)因(yin)(yin)插(cha)入(ru)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組中隨意(yi)位置(zhi)實現(xian)的(de)，連同(tong)基(ji)(ji)因(yin)(yin)一起的(de)還(huan)有(you)來自細菌、病毒或其他物種驅動基(ji)(ji)因(yin)(yin)表達(da)的(de)序列。不過，這個過程效(xiao)率(lv)很(hen)低，并且總是(shi)成(cheng)為(wei)討厭來自不同(tong)物種的(de)DNA混合在(zai)一起或擔心這種插(cha)入(ru)會擾亂其他基(ji)(ji)因(yin)(yin)的(de)批(pi)評人士的(de)素材。更重(zhong)要的(de)是(shi)，獲得(de)轉基(ji)(ji)因(yin)(yin)作物使用批(pi)準非常(chang)復(fu)雜且花費頗高，以至(zhi)于接受基(ji)(ji)因(yin)(yin)修正的(de)都是(shi)大型(xing)大宗(zong)商品(pin)作物，比如(ru)玉米和大豆。

有了CRISPR，形勢將發(fa)生改(gai)變：快捷(jie)和(he)低成本或(huo)許(xu)會使基(ji)因編輯成為(wei)較小型(xing)特殊作物(wu)和(he)動物(wu)的(de)(de)一個可行選擇。過(guo)去幾年間，研究人(ren)員利用(yong)該方法(fa)對(dui)小型(xing)豬進行了基(ji)因改(gai)造，并(bing)且獲得了抗(kang)病小麥和(he)水稻。他們還(huan)在通過(guo)基(ji)因改(gai)造獲得沒有角的(de)(de)牛(niu)、抵抗(kang)疾病的(de)(de)山羊(yang)和(he)富含(han)維生素(su)的(de)(de)甜橙(cheng)等方面取得進步。

生態系統或被改(gai)變

除了農業，研究人員正在(zai)考(kao)慮(lv)CRISPR如何能被(bei)或(huo)者說應(ying)當被(bei)用(yong)于野外的生物(wu)體。大部分注意(yi)力(li)集中在(zai)一種(zhong)被(bei)稱(cheng)為(wei)基(ji)因驅動的方法(fa)上(shang)，因為(wei)它能迅速(su)將被(bei)編輯基(ji)因在(zai)整個種(zhong)群中傳播(bo)。這項工作正處(chu)于起步(bu)階段，但類似技術能被(bei)用(yong)于消滅攜帶(dai)疾病的蚊子或(huo)蜱蟲，清(qing)除入侵(qin)植物(wu)或(huo)消除使一些美國農民飽受折磨的豬草中的除草劑抗性。

不過，很多(duo)研究人員(yuan)非常(chang)擔心，改變整(zheng)個種(zhong)群或將其全部清除(chu)會(hui)對(dui)生(sheng)態系統產(chan)生(sheng)無法預知的(de)災(zai)難性(xing)后(hou)(hou)果：這可(ke)能意味(wei)著其他(ta)害(hai)蟲(chong)會(hui)出現，或者影響食物鏈上(shang)處于較(jiao)高(gao)位置的(de)捕食者。他(ta)們還擔心，引導性(xing)RNA會(hui)隨著時間的(de)推(tui)移(yi)發生(sheng)突(tu)變。隨后(hou)(hou)，這種(zhong)突(tu)變將席卷整(zheng)個種(zhong)群，產(chan)生(sheng)始料(liao)未及的(de)影響。

“這種(zhong)方(fang)法(fa)不(bu)得不(bu)擁有(you)相當高的(de)(de)回報，因為它具有(you)不(bu)可逆轉的(de)(de)危(wei)險和給(gei)其他(ta)物(wu)種(zhong)帶(dai)來的(de)(de)意料(liao)之外(wai)或(huo)很難預(yu)估的(de)(de)后果(guo)。”哈(ha)佛醫學(xue)院生(sheng)物(wu)工程(cheng)師(shi)George Church表示。2014年4月，Church和一組科學(xue)家及政策專家在《科學(xue)》雜志上撰寫了一篇評論(lun)文章(zhang)，警告研究人員試驗性基因驅(qu)動意外(wai)泄(xie)漏帶(dai)來的(de)(de)風險，并且提出(chu)了防(fang)止此(ci)事(shi)發生(sheng)的(de)(de)方(fang)法(fa)。

當(dang)時，基(ji)因驅動(dong)看上(shang)去還是(shi)一(yi)個遙遠的(de)(de)前景。然而，不到一(yi)年(nian)后(hou)，加州大學圣(sheng)地亞哥分校發育生物學家Ethan Bier和他(ta)的(de)(de)學生Valentino Gantz報告稱(cheng)，他(ta)們在果(guo)(guo)蠅中設計出(chu)類似(si)系(xi)統。Bier和Gantz利用(yong)3層的(de)(de)箱(xiang)子容(rong)納果(guo)(guo)蠅，并且采用(yong)了通常用(yong)于研究攜帶瘧疾的(de)(de)蚊(wen)子的(de)(de)實驗(yan)室安全舉措(cuo)。不過，他(ta)們并未(wei)遵循上(shang)述評論文章作者極力(li)推薦的(de)(de)所有(you)指(zhi)導原則，比如設計逆轉基(ji)因改造(zao)所致變化的(de)(de)方法。Bier說(shuo)，他(ta)們正在開展首個原理性試驗(yan)，并且想知(zhi)道該系(xi)統能否(fou)在變得更加復(fu)雜之前行(xing)之有(you)效。

對于Church和其(qi)他人來說，這是一(yi)個明(ming)確(que)的(de)警告(gao)，即通過(guo)CRISPR開展的(de)基因(yin)編輯的(de)大(da)眾化會(hui)產生無法預料和不想看到(dao)(dao)的(de)結果。麻(ma)省(sheng)理工學院政治學家(jia)Kenneth Oye說：“我們需(xu)要更多的(de)行(xing)動(dong)。”美國國家(jia)研究委(wei)員(yuan)會(hui)已(yi)經形(xing)成專家(jia)組探討基因(yin)驅動(dong)，其(qi)他高(gao)級別商討也正在(zai)開始進行(xing)。不過(guo)，Oye擔(dan)心，科學正在(zai)以閃(shan)電般的(de)速度向前發(fa)展，而監管上的(de)改變可能(neng)只在(zai)基因(yin)驅動(dong)泄(xie)漏事件受到(dao)(dao)關注后才會(hui)發(fa)生。

然而，該問題并不是非黑即白。得州(zhou)農工大學昆蟲生態學家(jia)Micky Eubanks表示，基因驅動的(de)提法最初讓他大吃(chi)一(yi)驚。“我最初本能的(de)反應是‘我的(de)天，這太恐(kong)怖了。它是如此(ci)的(de)令人恐(kong)懼’。”Eubanks說(shuo)，但當你(ni)再考慮一(yi)下，并將(jiang)其同人類已經(jing)造成(cheng)并且將(jiang)繼續造成(cheng)的(de)環境改變作(zuo)下權衡，會發現它只不過是滄海(hai)一(yi)粟。